JP4877082B2 - 広帯域信号処理システム、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、広帯域信号処理システム、方法及びプログラムに関し、例えば、広帯域音響信号を放射しているターゲット（目標体）の方位推定等を行うソナーシステムに適用し得るものである。

例えば、ソナーシステムにおいては、直線又は円弧上等に配置された複数の音響センサで受信した音響信号（広帯域信号）を解析することにより、有効な音響信号の発信元であるターゲットの方位などを得たり、若しくは、各方位毎に有効な音響信号のレベル情報を提供してオペレータがターゲットの方位を認識し易くしたりするものである。

ソナーシステムなどに適用されている広帯域信号処理システムとして、従来、ＳＰＥＤ（Ｓｕｂｂａｎｄ Ｐｅａｋ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）処理を用いたシステムがある（非特許文献１、非特許文献２参照）。

音響信号が伝搬する環境（例えば海中）では、ターゲットからの音響だけでなく、雑音音響（例えばランダム雑音）も存在し、これら音響の合成音響は、各方位について見れば（かつ時間的にも）、ピークや谷が存在するものとなる。このうち、各方位のなかでピークを、サブバンド毎に得た後、サブバンド毎の結果を統合するシステムがＳＰＥＤ処理を用いたシステムである。

図２は、ＳＰＥＤ処理を用いた従来の広帯域信号処理システムの一例を示すブロック図である。

整相部１は、直線又は円弧上等に配置された複数（複数チャンネル）の音響センサ（音響センサアレイ）７で受信した音響信号を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等によって周波数領域信号に変換し、周波数ビンｆ（ｎ）（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ）毎に、各チャンネルに対して位相調整を行い、空間サンプリング定理を満たす方位間隔Δθｒで、相対方位θｒ（ｍ）（但し、ｍ＝１，２，…，Ｍ）の整相結果ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））を算出し、真方位変換器２−１〜２−Ｎに整相結果ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ、ｍ＝１，２，…，Ｍ）を出力する。このとき、第ｎ番目の真方位変換器２−ｎには、第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）についての整相結果ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））を出力する。相対方位θｒ（ｍ）は、音響センサアレイ７のその時点の位置から見た方位になっている。

信号源（ターゲット）と各音響センサとの距離により、信号源からの音響信号のある周波数成分が各音響センサに到達するタイミングがずれ、複数の周波数成分についてタイミングずれを勘案することにより、信号源の方位を算出することができる。整相部１は、このような考え方によって処理を行っている。

第ｎ番目の真方位変換器２−ｎは、外部から入力された、音響センサアレイ７の向きを指示しているアレイ方位情報を基に、第ｎ番目の整相結果ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））を真方位に変換すると共に、変換時に補間処理するものである。すなわち、第ｎ番目の真方位変換器２−ｎは、ベッセル補間やラグランジュ補間等を用いて、北（なお、北以外の所定方位であっても良い）を０度とする真方位θｔ（ｐ）（但し、ｐ＝１，２，…，Ｐ）に方位補間し、補間結果である第ｎ番目の真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））を対応する信号成分抽出部４−ｎに出力する。他の真方位変換器２−１〜２−Ｎ（２−ｎを除く）も同様に、整相結果ｂ（ｆ（１），θｒ（ｍ））〜ｂ（ｆ（Ｎ），θｒ（ｍ））から算出した真方位整相結果ｂｃ（ｆ（１），θｔ（ｐ））〜ｂｃ（ｆ（Ｎ），θｔ（ｐ））を対応する信号成分抽出部４−１〜４−Ｎへ出力する。

信号成分抽出部４−１〜４−Ｎはそれぞれ、方位ピーク検出器５−１〜５−Ｎと信号成分抽出器６−１〜６−Ｎとを有する。以降、第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）に対応する信号成分抽出部４−ｎ内部の方位ピーク検出器５−ｎ及び信号成分抽出器６−ｎについて説明する。図３は、信号成分抽出部４−ｎの動作の説明図である。

[Ｓ１]真方位変換器２−ｎから出力された真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））（但し、ｐ＝１，２，…，Ｐ）は、方位ピーク検出器５−ｎ並びに信号成分抽出器６−ｎに入力される。

[Ｓ２]方位ピーク検出器５−ｎは、真方位変換器２−ｎから入力した真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））のピーク方位を検出し、検出したＬ個のピーク方位Θｌ（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）を信号成分抽出器６−ｎへ出力する。図３は、２個のピーク方位が存在する場合を示している。

[Ｓ３]信号成分抽出器６−ｎは、真方位変換器２−ｎから真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））を入力すると共に、方位ピーク検出器５−ｎからＬ個のピーク方位Θｌを入力し、各ピーク方位Θｌについて±α度（正負でαの値が異なっていても良い）の方位範囲に対応する真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（Θｌ−α＜Θｌ＜Θｌ＋α）をＳＮ比に換算しながら抽出し、抽出した抽出真方位整相結果ｂｃ’（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））を作成し、帯域累加器３へ出力する。ここで、ＳＮ比への換算は、例えば、周波数ビン毎に雑音レベルＮＬ（ｆ（ｎ））を推定し、この推定した雑音レベルＮＬ（ｆ（ｎ））で真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（Θｌ−α＜Θｌ＜Θｌ＋α）を除算することによって行う。また、α度には、音響センサアレイの配置及び周波数によって決定されるビームパターンにおいて、最大感度の半分の感度になるまでの方位幅等が用いられる。また、抽出されなかった方位の抽出真方位整相結果ｂｃ’（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））は、例えば、０、若しくは、真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））の方位方向の最小値をＳＮ比に換算した値等にする。信号成分抽出器６−ｎの処理は、言い換えると、雑音に係る方位を除外する処理ということもできる。

帯域累加器３は、全ての信号成分抽出部４−１〜４−Ｎから入力した抽出真方位整相結果ｂｃ’（ｆ（１），θｔ（ｐ））〜ｂｃ’（ｆ（Ｎ），θｔ（ｐ））を、下記の（１）式により、方位毎に、周波数方向に累加し、累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））を外部の表示器８等の出力装置や方位情報の利用装置に出力する。

表示器８は、例えば、累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））を縦軸とし横軸を方位として表示する。あるいは、縦軸を時間とし横軸を方位として累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））を濃淡表示する。
Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ． Ｚａｒｎｉｃｈ、「Ａ Ｆｒｅｓｈ Ｌｏｏｋ ａｔ ‘Ｂｒｏａｄｂａｎｄ’ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｓｏｎａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ（ＡＳＡＰ ‘９９）， ＭＩＴ：ＬＬ， Ｍａｒｃｈ，ＰＰ．９１２−１０４（１９９９） Ｓｈｅｆｅｎｇ Ｙａｎ ａｎｄ Ｙｕａｎｌｉａｎｇ Ｍａ、「Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｉｔｈ ｒｅａｌ ｄａｔａ」、Ａｃｏｕｓｔ． Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ， ２５， １ ｐｐ．７３−７６（２００４）

上述したＳＰＥＤ処理を用いた従来の広帯域信号処理システムは、以下のような課題を有するものであった。

信号成分抽出器６−１〜６−Ｎにおいて検出したピーク方位Θｌ±α度内の真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））をＳＮ比に換算しながら抽出するため、信号成分と抽出範囲内の雑音成分が抽出され、累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））には、信号成分と雑音成分が含まれることになる。雑音成分が多ければ、累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））の算出精度は低いものとなる。そのため、累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））において、信号成分を劣化させずに、雑音成分を低減することが課題となっている。

また、信号検出能力が、信号成分抽出器６−１〜６−Ｎにおいて信号成分を抽出する際の方位範囲α度に大きく依存している。そのため、このα度を最適な値とする必要があり、この信号抽出範囲αを最適化することが課題となっている。

さらに、帯域累加器３から出力される累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））の方位間隔は、真方位変換器２−１〜２−Ｎから出力される真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））の方位間隔と同じである。しかし、表示器８で表示する際には、真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ）の方位間隔を描画点の間隔に合わせる必要がある。この対策として、例えば、描画点の間隔が整相器１における整相方位間隔Δθｒの１／１０である場合、真方位変換器２−１〜２−Ｎにおいて真方位変換と同時に方位補間を実施し、真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））の方位間隔Δθｔを整相器１の整相方位間隔Δθｒの１／１０に細かくすることが考えられる。しかし、このようにすると、真方位変換２−１〜２−Ｎ以降の処理量とデータ量が１０倍になる。また、方位間隔Δθｔを細かくするためにベッセル補間やラグランジュ補間等を行うと、真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））に補間誤差が含まれることになり、方位方向に信号以外のピークが作り出される恐れがあり、信号成分抽出部４−１〜４−Ｎで、この補間誤差に基づくピークを信号成分として抽出する恐れがある。その結果、この補間誤差によって信号成分として抽出されたピークが、誤警報として累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））に含まれることになる。このような補間誤差に起因する誤警報を低減することが課題となっている。

そのため、帯域累加手段から出力される累加結果の精度を向上させることができる、ＳＰＥＤ処理を適用した広帯域信号処理システム、方法及びプログラムが望まれている。

第１の本発明は、複数のセンサで構成されるセンサアレイで受信した受信信号を処理する広帯域信号処理システムにおいて、（１）上記受信信号を複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域について、複数の異なる方位に対する整相出力を得る整相手段と、（２）各周波数帯域についての整相出力における方位ピーク及びピークレベルを検出すると共に、検出した方位ピークを、予め定められている分布形状に従った、しかも、検出されたピークレベルを重みとして適用した分布密度であるカーネル密度に変換する信号成分カーネル密度変換手段と、（３）変換によって得られたカーネル密度を、方位毎に、複数の上記周波数帯域について累加する帯域累加手段とを有することを特徴とする。

第２の本発明は、複数のセンサで構成されるセンサアレイで受信した受信信号を処理する広帯域信号処理方法において、（０）整相手段、信号成分カーネル密度変換手段、及び、帯域累加手段を有し、（１）上記整相手段は、上記受信信号を複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域について、複数の異なる方位に対する整相出力を得、（２）上記信号成分カーネル密度変換手段は、各周波数帯域についての整相出力における方位ピーク及びピークレベルを検出すると共に、検出した方位ピークを、予め定められている分布形状に従った、しかも、検出されたピークレベルを重みとして適用した分布密度であるカーネル密度に変換し、（３）上記帯域累加手段は、変換によって得られたカーネル密度を、方位毎に、複数の上記周波数帯域について累加することを特徴とする。

第３の本発明の広帯域信号処理プログラムは、複数のセンサで構成されるセンサアレイで受信した受信信号が入力されるコンピュータを、（１）上記受信信号を複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域について、複数の異なる方位に対する整相出力を得る整相手段と、（２）各周波数帯域についての整相出力における方位ピーク及びピークレベルを検出すると共に、検出した方位ピークを、予め定められている分布形状に従った、しかも、検出されたピークレベルを重みとして適用した分布密度であるカーネル密度に変換する信号成分カーネル密度変換手段と、（３）変換によって得られたカーネル密度を、方位毎に、複数の上記周波数帯域について累加する帯域累加手段として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、帯域累加手段から出力される累加結果の精度を向上させることができる、ＳＰＥＤ処理を適用した広帯域信号処理システム、方法及びプログラムを提供することができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による広帯域信号処理システム、方法及びプログラムの第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態に係る広帯域信号処理システムの機能的構成を示すブロック図であり、従来システムに係る図２との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

第１の実施形態に係る広帯域信号処理システムは、全ての構成要素をハードウェアによって実現しても良く、音響センサアレイ及び表示器を除いた全て又は一部の構成要素を、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラム（データを含む）で実現しても良い。いずれの場合も、機能的には、第１の実施形態に係る広帯域信号処理システムを図３で表すことができる。

図１において、第１の実施形態の広帯域信号処理システムは、ＳＰＥＤ処理を用いた図２に示した従来の広帯域信号処理システムと同様の整相部１、真方位変換器２−１〜２−Ｎ、帯域累加器３を有しているが、図２における信号成分抽出部４−１〜４−Ｎの代りに、信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎが設けられている。なお、添え字の１〜Ｎは、従来と同様に、周波数ビンｆ（ｎ）（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ）に対応する。

整相部１、真方位変換器２−１〜２−Ｎ及び帯域累加器３は従来と同様であるので、その機能説明は省略する。

各信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎは、方位ピーク検出器１１−１〜１１−Ｎ、カーネル密度作成器１２−１〜１２−Ｎ及び検出ピークカーネル密度加算器１３−１〜１３−Ｎを有する。

以下では、第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）に対応する第ｎ番目の方位ピーク検出器１１−ｎ、カーネル密度作成器１２−ｎ及び検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎについて説明する。

方位ピーク検出器１１−ｎは、対応する真方位変換器２−ｎから出力された真方位整相結果に対して、ピーク方位及びピークレベルを検出し、ピークレベルについては、ＳＮ比に換算する。方位ピーク検出器１１−ｎは、検出結果であるピーク方位情報を検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎに出力すると共に、ピークＳＮ比情報をカーネル密度作成器１２−ｎに出力する。

カーネル密度作成器１２−ｎは、対応する方位ピーク検出器１１−ｎから入力したピークＳＮ比情報を基に、このピークＳＮ比情報に応じたレベル及び方位幅を有するカーネル密度（カーネル密度分布）を、任意の方位間隔で作成する。カーネル密度作成器１２−ｎは、作成したカーネル密度を対応する検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎに出力する。

検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎは、書き込み読み出し可能な記憶領域を方位バッファとして具備する。検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎは、対応するカーネル密度作成器１２−ｎから入力したカーネル密度の中心方位が、方位ピーク検出器１１−ｎから入力したピーク方位情報に一致するように、カーネル密度を上述した方位バッファに格納する。ここで、異なるピークに対するカーネル密度の方位に重なる部分が生じた場合には、これらカーネル密度の方位が重なった部分を合成した検出ピークカーネル密度加算結果を上述した方位バッファに格納する。検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎは、方位バッファに作成した検出ピークカーネル密度加算結果を帯域累加器３に出力する。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態に係る広帯域信号処理システムの動作を説明する。

整相部１、真方位変換器２−１〜２−Ｎ及び帯域累加器３の動作は、従来システムの対応要素と同様であるので、その説明を省略し、以下では、信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎの動作を中心に説明する。以降、第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）に対応する第ｎ番目の信号成分カーネル密度変換部１０−ｎの動作について、図４を参照しながら説明する。

[Ｓ１１]真方位変換器２−ｎから出力された真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））、（但し、ｐ＝１，２，…，Ｐ）は、信号成分カーネル密度変換部１０−ｎの方位ピーク検出器１１−ｎに入力される。

[Ｓ１２]方位ピーク検出器１１−ｎは、真方位変換器２−ｎから入力した真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））から方位方向のピークを検出し、検出したＬ個のピークのレベルをＳＮ比に換算した値をピークＳＮ比情報ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））（但し、ｌ＝１，２…，Ｌ）とし、検出したＬ個のピークの方位をピーク方位情報θｔｐ（ｌ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）とし、ピークＳＮ比情報ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））をカーネル密度作成器１２−ｎへ出力し、ピーク方位情報θｔｐ（ｌ）を検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎへ出力する。ここで、真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））が方位についての離散値であることに鑑み、これら検出したＬ個のピークについて、２次曲線近似等によって詳細なピークを算出し、算出したピークレベルをＳＮ比に換算した値とピーク方位を、ピークＳＮ比情報ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））及びピーク方位情報θｔｐ（ｌ）としても良い。

[Ｓ１３]カーネル密度作成器１２−ｎは、方位ピーク検出器１１−ｎから出力されたピークＳＮ比情報ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）を入力すると、このｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））、及び、対応する周波数ビンｆ（ｎ）の中心周波数に基づき、検出ピーク毎の任意の方位幅Φ（ｌ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）に対し任意の方位間隔Δθｋとなるようにカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ）），ｑ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ、ｑ＝−Ｑ，−（Ｑ−１），…（Ｑ−１），Ｑ（ここで、Ｑ＝Φ（ｌ）／Δθｋ））を作成する。このとき、カーネル密度の方位間隔Δθｋは、例えば、表示器の描画点間隔とすれば良い。カーネル密度の分布にガウス分布を用いた例（ア）、（イ）を以下に記述する。

（ア）方位幅については、ガウス分布の標準偏差σとして、音響センサアレイの配置及び周波数によって決定されるビームパターンにおいて、最大感度の半分の感度になるまでの方位幅ＢＷ（ｆ（ｎ））を入力する。レベルについては、方位ピーク検出器１１−ｎから入力されるピークＳＮ比情報分ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））だけ、ガウス分布に重みを与える。このようなガウス分布を適用した場合、作成されるカーネル密度は、次の（２）式によって表される。

（イ）方位幅については、ガウス分布の標準偏差σとしてＣｒａｍｅｒ−Ｒａｏ Ｂｏｕｎｄによって算出した方位分散σ_ＣＲＢを入力する。ここで、方位分散σ_ＣＲＢは、ピークＳＮ比情報、音響センサアレイの配置及び波長から算出される。レベルについては、方位ピーク検出器１１−ｎから入力されるピークＳＮ比情報分ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ））だけ、ガウス分布に重みを与える。このようなガウス分布を適用した場合、作成されるカーネル密度は、次の（３）式によって表される。

上述した（ア）の方法によって作成したカーネル密度を用いた場合には、基のガウス分布の形状は周波数に依存したものになり、カーネル密度としては、このガウス分布をＳＮ比に応じて相似形に拡大したものになる。上述した（イ）の方法によって作成したカーネル密度を用いた場合には、ＳＮ比が高い信号に対しては、カーネル密度は鋭く高くなり、分離能力は高くなる。

作成されたカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ）），ｑ）は検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎへ出力される。

[Ｓ１４]検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎは、カーネル密度作成器１２−ｎからカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ）），ｑ）が入力され、方位ピーク検出器１１−ｎからピーク方位情報θｔｐ（ｌ）が入力されると、まず、第１番目のピークに対応する前記カーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（ｌ）），ｑ）の中心方位と、予め全て０に初期化されている検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎ内部の方位バッファＢＦ（θｋ（ｕ））（但し、ｕ＝１，２，…，Ｕ）の、前記ピーク方位情報θｔｐ（１）に該当する方位とが一致するように、カーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（１）），ｑ）を方位バッファの所定の場所に加算する。次に、第２番目のピークに対応するカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（２）），ｑ）の中心方位と、検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎ内部の方位バッファＢＦ（θｋ（ｕ））の、前記ピーク方位情報θｔｐ（２）に該当する方位とが一致するように、カーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｃｐ（θｔｐ（２）），ｑ）を、方位バッファの所定の場所に加算する。以降同様な動作を、第Ｌ番目のピークまで繰り返す。

以上の繰返し動作によって、方位バッファに、周波数ビンｆ（ｎ）において検出された全てのピークに対応する作成したカーネル密度を方位毎に加算した検出ピークカーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））が得られ、帯域累加器３へ出力される。検出ピークカーネル密度加算器１３−ｎからの検出ピークカーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））（但し、ｕ＝１，２，…，Ｕ）は、次の（４）式のように表される。

上述した[Ｓ１１]から[Ｓ１４]の操作を、各々の周波数ビンｆ（ｎ）（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ）について行った信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎの出力である検出ピークカーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ、ｕ＝１，２，…，Ｕ）を帯域累加器３へ出力する。

帯域累加器３は、信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎの出力ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））を、各方位毎に、全ての周波数ビンについて累加し、（５）式に示す帯域累加結果ｋｓ（θｋ（ｕ））を表示器８へ出力する。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
従来の広帯域信号処理システムでは、信号成分抽出器６−１〜６−Ｎにおいて検出したピーク方位Θｌ±α度内の真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））を抽出するため、信号成分と抽出範囲内の雑音成分が抽出され、累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））には、信号成分と雑音成分が含まれていた。この第１の実施形態によれば、真方位整相結果ｂｃ（ｆ（ｎ），θｔ（ｐ））の代わりに、信号成分カーネル変換部１０−ｎにおいて検出したピークから作成したカーネル密度を帯域累加器３で累加することにより、信号成分を劣化させずに雑音成分を低減した累加結果ｋｓ（θｋ（ｕ））を出力することができる。

また、第１の実施形態によれば、カーネル密度作成器１２−１〜１２−Ｎにおいてカーネル密度を作成する際に、周波数及びＳＮ比に応じたカーネルの形状となるため、信号検出能力の高い広帯域信号処理システムを構成することができる。

従来の広帯域信号処理システムでは、描画点の間隔が整相器１における整相方位間隔Δθｒより細かい場合には、真方位変換器２−１〜２−Ｎの出力方位間隔Δθｔを方位補間等を実施することによって表示器８の描画点間隔に合わせることになるので、真方位変換器２−１〜２−Ｎ以降の処理量とデータ量が増加していた。しかし、第１の実施形態によれば、検出ピークカーネル密度加算器１３−１〜１３−Ｎにおいて、カーネル密度の方位間隔Δθｋを任意に設定可能であり、カーネル密度の方位間隔Δθｋを描画点間隔とすることにより、信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎの結果を表示器８の描画点に合わせて出力することができるため、処理量とデータ量の増加を検出ピークカーネル密度加算器１３−１〜１３−Ｎ以降の処理のみに減らすことができ、システム規模を増大させることなく、細かな描画点での表示に対応することができる。

また、従来の広帯域信号処理システムでは、方位間隔を細かくする際に実施する補間処理の誤差に起因する誤警報が累加結果ｂｃｓ（θｔ（ｐ））に含まれていたが、第１の実施形態によれば、検出ピークカーネル密度加算器１３−１〜１３−Ｎにおいてカーネル密度の方位間隔Δθｋを任意の間隔で作成するため、補間誤差に起因する誤警報が低減された累加結果ｋｓ（θｋ（ｕ））を得ることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による広帯域信号処理システム、方法及びプログラムの第２の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。

第２の実施形態に係る広帯域信号処理システムは、音響センサアレイの向きの影響を排除する真方位変換を実行する、システム内の箇所が第１の実施形態と異なっている。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図５は、第２の実施形態に係る広帯域信号処理システムの機能的構成を示すブロック図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

図５において、第２の実施形態に係る広帯域信号処理システムは、第１の実施形態と異なり、真方位変換器２−１〜２−Ｎが設けられておらず、また、信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎの内部構成が第１の実施形態のものと異なっている。

第２の実施形態の信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎはそれぞれ、方位ピーク検出器１１−１〜１１−Ｎ、カーネル密度作成器１２−１〜１２−Ｎ及び真方位変換カーネル密度加算器１４−１〜１４−Ｎを有する。

この第２の実施形態の場合、整相部１は、方位ピーク検出器１１−１〜１１−Ｎに整相結果ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ、ｍ＝１，２，…，Ｍ）を各々出力する機能を有する。

第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）に対応する第ｎ番目の方位ピーク検出器１１−ｎ及びカーネル密度作成器１２−ｎはそれぞれ、入力が真方位変換されていない、音響センサアレイ７の向きから見た相対的な方位の情報であるが、第１の実施形態と同様に機能するものである。

第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）に対応する第ｎ番目の真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎは、書き込み読み出し可能な記憶領域を方位バッファとして具備し、方位ピーク検出器１１−ｎから入力したピーク方位情報を、外部から入力されたアレイ方位情報、あるいは、予め与えられて保持しているアレイ方位情報を用いて、真方位に変換し、カーネル密度作成器１２−ｎから入力したカーネル密度の中心方位が、真方位におけるピーク方位に一致するように、このカーネル密度を、当該真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎの内部に有する方位バッファに格納し、異なるピークに対するカーネル密度の方位に重なる部分が生じた場合には、これらカーネル密度の方位が重なった部分を合成した真方位変換カーネル密度加算結果を方位バッファに格納する機能を有すると共に、方位バッファに作成した真方位変換カーネル密度加算結果を帯域累加器３に出力する機能を有する。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態に係る広帯域信号処理システムの動作を説明する。

整相部１及び帯域累加器３は、第１の実施形態のものと同様に動作するので、その説明は省略し、第ｎ番目の周波数ビンｆ（ｎ）に対応する第ｎ番目の信号成分カーネル密度変換部１０−ｎの動作について、図６を参照しながら説明する。

[Ｓ２１]整相部１から出力された整相出力ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））（但し、ｍ＝１，２，…，Ｍ）は、信号成分カーネル密度変換部１０−ｎの方位ピーク検出器１１−ｎに入力される。

[Ｓ２２]方位ピーク検出器１１−ｎは、整相部１から入力された整相結果ｂ（ｆ（ｎ），θｒ（ｍ））から方位方向のピークを検出し、検出したＬ個のピークのレベルをＳＮ比に換算した値をピークＳＮ比情報ｂｐ（θｒｐ（ｌ））（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）とし、検出したＬ個のピークの方位をピーク方位情報θｒｐ（ｌ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）とし、ピークＳＮ比情報ｂｐ（θｒｐ（ｌ））をカーネル密度作成器１２−ｎに出力し、ピーク方位情報θｒｐ（ｌ）を真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎに出力する。このとき、検出したＬ個のピークについて２次曲線近似等によって、算出した詳細なピークレベルをＳＮ比に換算した値とピーク方位を、ピークＳＮ比情報ｂｐ（θｒｐ（ｌ））及びピーク方位情報θｒｐ（ｌ）とするようにしても良い。

[Ｓ２３]カーネル密度作成器１２−ｎは、方位ピーク検出器１１−ｎから出力されたピークＳＮ比情報ｂｐ（θｒｐ（ｌ））を入力すると、この情報ｂｐ（θｒｐ（ｌ））、及び、対応する周波数ビンｆ（ｎ）の中心周波数に基づき、任意の方位幅Φ（ｌ）に対し、任意の方位間隔Δθｋとなるようにカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（ｌ）），ｑ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ、ｑ＝−Ｑ，−（Ｑ−１），…（Ｑ−１），Ｑ（ここで、Ｑ＝Φ（ｌ）／Δθｋ））を作成する。このとき、カーネル密度の方位間隔Δθｋを、例えば、表示器８の描画点間隔とするようにすれば良い。カーネル密度としてガウス分布を用いた例（あ）、（い）を以下に記述する。

（あ）方位幅については、ガウス分布の標準偏差αに、音響センサアレイの配置及び周波数によって決定されるビームパターンにおいて、最大感度の半分の感度になるまでの方位幅ＢＷ（ｆ（ｎ））を入力する。レベルについては、方位ピ−ク検出器１１−ｎから入力されるピークＳＮ比情報分ｂｐ（θｒｐ（ｌ））だけ、ガウス分布に重みを与える。このようなガウス分布を適用した場合、作成されるカーネル密度は、次の（６）式によって表される。

（い）方位幅については、ガウス分布の標準偏差σにＣｒａｍｅｒ−Ｒａｏ Ｂｏｕｎｄによって算出した方位分散σ_ＣＲＢを入力する。ここで、方位分散σ_ＣＲＢは、ピークＳＮ比情報、音響センサアレイの配置及び波長から算出される。レベルについては、方位ピーク検出器１１−ｎから入力されるピークＳＮ比情報分ｂｐ（θｒｐ（ｌ））だけ、ガウス分布に重みを与える。このようなガウス分布を適用した場合、作成されるカーネル密度は、次の（７）式によって表される。

上述した（あ）の方法によって作成したカーネル密度を用いた場合には、基のガウス分布の形状は周波数に依存したものになり、カーネル密度としては、このガウス分布をＳＮ比に応じて相似形に拡大したものになる。上述した（い）の方法によって作成したカーネル密度を用いた場合には、ＳＮ比が高い信号に対しては、カーネル密度は鋭く高くなって、分離能力は高くなる。

作成されたカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（ｌ）），ｑ）は真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎへ出力される。

[Ｓ２４]真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎは、方位ピーク検出器１１−ｎからピーク方位情報θｒｐ（ｌ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ）が入力され、カーネル密度作成器１４−ｎからカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（ｌ）），ｑ）（但し、ｌ＝１，２，…，Ｌ、ｑ＝−Ｑ，−（Ｑ−１），…，Ｑ）が入力され、外部からアレイ方位情報が入力されると、まず、第１番目のピーク方位情報θｒｐ（１）とアレイ方位情報を基に、以下の（８）式に従って、ピーク方位情報θｒｐを真方位のピーク方位情報θｔｐ（ｌ）に変換する。

θｔｐ（ｌ）＝θｒｐ（ｌ）＋アレイ方位 ｌ＝１，２，…，Ｌ …（８）
続いて、第１番目のカーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（１）），ｑ）（但し、ｑ＝−Ｑ，−（Ｑ−１），…，Ｑ）の中心方位と、予め全て０に初期化されている真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎ内部の方位バッファＢＦ（θｋ（ｕ）（但し、ｕ＝１，２，…，Ｕ）の真方位のピーク方位情報θｔｐ（１）に該当する方位とが一致するように、カーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（１）），ｑ）を、方位バッファの所定の場所に加算する。次に、第２番目のピーク方位情報θｒｐ（２）も真方位のピーク方位情報θｔｐ（２）に変換し、カーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（２）），ｑ）の中心方位と真方位変換カーネル密度加算器１４−ｎ内部の方位バッファＢＦ（θｋ（ｕ）の真方位のピーク方位情報θｔｐ（２）に該当する方位とが一致するように、カーネル密度ｋ（ｆ（ｎ），ｂｐ（θｒｐ（２）），ｑ）を方位バッファの所定の場所に加算する。以降同様に第Ｌ番目のピークまで繰り返す。

以上の繰返し動作によって、方位バッファに、周波数ビンｆ（ｎ）において検出された全てのピークに対応するカーネル密度を方位毎に加算した真方位変換カーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））（但し、ｕ＝１，２，…，∪）が作成され、この真方位変換カーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））が帯域累加器３へ出力される。真方位変換カーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））は以下の（９）式のように表される。

上述した[Ｓ２１]から[Ｓ２４]の操作を各々の周波数ビンｆ（ｎ）（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ）について行った真方位変換カーネル密度加算器１４−１〜１４−Ｎの結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））（但し、ｎ＝１，２，…，Ｎ、ｕ＝１，２，…，Ｕ）を、帯域累加器３へ出力する。

帯域累加器３は、真方位変換カーネル密度加算器１４−１〜１４−Ｎの出力である真方位変換カーネル密度加算結果ｋ（ｆ（ｎ），θｋ（ｕ））を、各方位毎に、全ての周波数ビンについて累加し、（１０）式に示す帯域累加結果ｋｓ（θｋ（ｕ））を表示器８へ出力する。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によっても、第１の実施形態とほぼ同様な効果を奏することができ、さらに、以下のような効果を奏することができる。

第２の実施形態によれば、真方位変換カーネル密度加算器１２−１〜１２−Ｎにおいて、カーネル密度を方位バッファに加算する際に真方位変換も同時に行うため、第１の実施形態におけるような真方位変換器２−１〜２−Ｎは不要となる。従って、第１の実施形態で生じる恐れがある、真方位変換器２−１〜２−Ｎにおける真方位変換において実施する補間処理の補間誤差に起因する誤警報を低減した累加結果ｋｓ（θｋ（ｕ））を得ることができる。

（Ｃ）他の実施形態
本発明は、上述した第１及び第２の実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態（他の実施形態）を挙げることができる。

（Ｃ−１）上記各実施形態では、帯域累加器３が全ての周波数ビンｆ（ｎ）の情報を累加するものを示したが、部分的な周波数ビンｆ（ｎ）を累加した情報を複数作成して表示器８で表示可能としても良い。

図７は、このような他の実施形態の説明図である。図７の例は、（１１）式〜（１３）式に示すような、周波数ビンｆ（１）からｆ（α）までを累加した結果ｋｓｌ（θｋ（ｕ））（ｕ＝１，２，…，Ｕ）と、周波数ビンｆ（α＋１）からｆ（β）までを累加した結果ｋｓｍ（θｋ（ｕ））（ｕ＝１，２，…，Ｕ）と、周波数ビンｆ（β＋１）からｆ（Ｎ）までを累加した結果ｋｓｈ（θｋ（ｕ））（ｕ＝１，２，…，Ｕ）とを得て表示器８に出力することによって、任意の周波数帯域を累加した複数の部分的な帯域累加結果を表示することが可能である。すなわち、上述したαやβをオペレータが指示できるようにしている。

また、これら任意の周波数帯域を累加した複数の部分的な帯域累加結果を、同一方位毎に累加することによって、周波数ビンｆ（１）からｆ（Ｎ）までの全ての周波数帯域を累加した（１４）式に示す結果を表示することができる。

この変形実施形態は、上述した第１の実施形態の変形実施形態としても、第２の実施形態の変形実施形態としても適用可能である。

（Ｃ−２）図８は、さらに、他の実施形態を説明するための図面である。

モニタ画面に表示されているカーネル密度加算結果の表示領域ＡＲを、表示されている方位範囲である方位Ａ度〜Ｂ度を変化させずに伸縮した場合、画素間隔に対応する方位間隔Δθｋ（ｕ）はΔθｋ（ｕ）’に変化するため、表示器８において、画素補間や画素間引き等が実施される。

しかしながら、画素補間や画素間引きは、補間誤差や情報の欠落を招くことがある。そこで、表示器８と信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎとを接続し、新たな画素間隔に対応する方位間隔Δθｋ（ｕ）’を、表示器８から信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎに送信することによって、カーネル密度を作成する際の方位間隔をΔθｋ（ｕ）’に切替える。これにより、補間誤差や間引きによる情報の欠落を防いだ表示を維持することができる。

この変形実施形態は、上述した第１の実施形態の変形実施形態としても、第２の実施形態の変形実施形態としても適用可能である。

（Ｃ−３）上記各実施形態では、真方位変換を行う場合を示したが、真方位変換を省略することもできる。すなわち、音響センサアレイ７の向きとの相対的な向きで出力情報を形成するようにしても良い。

例えば、真方位変換を実施する必要がない場合、第１の実施形態において、アレイ方位情報及び真方位変換器２−１〜２−Ｎを削除し、整相部１の出力を信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎに入力するようにすれば良く、このようにした場合にも、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（Ｃ−４）なお、帯域累加器の後段に、真方位変換部を設けるようにしても良い。

（Ｃ−５）上記各実施形態のパラメータの数などはシステムに固定のものであっても良く、一部又は全てのパラメータはその数などをオペレータが可変設定できるようにしても良い。同様に、表示出力形式や、真方位変換するか否かなどをもオペレータが設定可能とするようにしても良い。

第１の実施形態に係る広帯域信号処理システムの構成を示すブロック図である。 ＳＰＥＤ処理を用いた従来の広帯域信号処理システムの一例を示すブロック図である。 図２における信号成分抽出部４−ｎの動作の説明図である。 第１の実施形態の信号成分カーネル密度変換部における処理を示す説明図である。 第２の実施形態に係る広帯域信号処理システムの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の信号成分カーネル密度変換部における処理を示す説明図である。 他の実施形態（その１）の説明図である。 他の実施形態（その２）の説明図である。

符号の説明

整相部１、真方位変換器２−１〜２−Ｎ、帯域累加器３、信号成分カーネル密度変換部１０−１〜１０−Ｎ、方位ピーク検出器１１−１〜１１−Ｎ、カーネル密度作成器１２−１〜１２−Ｎ、検出ピークカーネル密度加算器１３−１〜１３−Ｎ、真方位変換カーネル密度加算器１４−１〜１４−Ｎ。

Claims (5)

1. 複数のセンサで構成されるセンサアレイで受信した受信信号を処理する広帯域信号処理システムにおいて、
   上記受信信号を複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域について、複数の異なる方位に対する整相出力を得る整相手段と、
   各周波数帯域についての整相出力における方位ピーク及びピークレベルを検出すると共に、検出した方位ピークを、予め定められている分布形状に従った、しかも、検出されたピークレベルを重みとして適用した分布密度であるカーネル密度に変換する信号成分カーネル密度変換手段と、
   変換によって得られたカーネル密度を、方位毎に、複数の上記周波数帯域について累加する帯域累加手段と
   を有することを特徴とする広帯域信号処理システム。
2. 上記センサアレイの方位情報に基づき、上記整相手段からの整相出力の方位を絶対的方位である真方位に変換し、変換した整相出力を、上記信号成分カーネル密度変換手段に与える真方位変換手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の広帯域信号処理システム。
3. 上記信号成分カーネル密度変換手段は、上記センサアレイの方位情報に基づき、変換によって得られたカーネル密度の方位を、絶対的方位である真方位に変換する真方位変換部を内蔵することを特徴とする請求項１に記載の広帯域信号処理システム。
4. 複数のセンサで構成されるセンサアレイで受信した受信信号を処理する広帯域信号処理方法において、
   整相手段、信号成分カーネル密度変換手段、及び、帯域累加手段を有し、
   上記整相手段は、上記受信信号を複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域について、複数の異なる方位に対する整相出力を得、
   上記信号成分カーネル密度変換手段は、各周波数帯域についての整相出力における方位ピーク及びピークレベルを検出すると共に、検出した方位ピークを、予め定められている分布形状に従った、しかも、検出されたピークレベルを重みとして適用した分布密度であるカーネル密度に変換し、
   上記帯域累加手段は、変換によって得られたカーネル密度を、方位毎に、複数の上記周波数帯域について累加する
   ことを特徴とする広帯域信号処理方法。
5. 複数のセンサで構成されるセンサアレイで受信した受信信号が入力されるコンピュータを、
   上記受信信号を複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域について、複数の異なる方位に対する整相出力を得る整相手段と、
   各周波数帯域についての整相出力における方位ピーク及びピークレベルを検出すると共に、検出した方位ピークを、予め定められている分布形状に従った、しかも、検出されたピークレベルを重みとして適用した分布密度であるカーネル密度に変換する信号成分カーネル密度変換手段と、
   変換によって得られたカーネル密度を、方位毎に、複数の上記周波数帯域について累加する帯域累加手段と
   して機能させることを特徴とする広帯域信号処理プログラム。

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